DE69508887T2 - Control system for the inclination of a railroad car body - Google Patents

Control system for the inclination of a railroad car body

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DE69508887T2
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Gualtiero Balossini
Piero Bozzola
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    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern der Drehung eines Eisenbahnwagenkastens.The present invention relates to a system for controlling the rotation of a railway carriage body.

Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Steuersystem zum Drehen des Wagenkastens um eine Längsachse des Wagens, um die Beschleunigung zu reduzieren, der die Fahrgäste unterliegen.In particular, the present invention relates to a control system for rotating the car body about a longitudinal axis of the car to reduce the acceleration to which the passengers are subjected.

Es sind Eisenbahnwagen mit variabler Trimmung bekannt, die bei einer Kurvenfahrt dem Wagenkasten ermöglichen, sich um eine Längsachse des Wagens zu drehen, um die zentrifugale Querbeschleunigung, der die Fahrgäste unterliegen, durch die Gravitationsbeschleunigung zu kompensieren.Railway carriages with variable trim are known which, when cornering, allow the carriage body to rotate around a longitudinal axis of the carriage in order to compensate for the centrifugal lateral acceleration to which the passengers are subject by the gravitational acceleration.

Bei einer Kurvenfahrt unterliegen daher die Fahrgäste eines Eisenbahnwagens mit variabler Trimmung einer Seitenkraft, die gleich der Differenz zwischen der transversalen Zentrifugalkraft und der transversalen Gewichtskraft ist.When cornering, passengers in a railway carriage with variable trim are therefore subject to a lateral force equal to the difference between the transverse centrifugal force and the transverse weight force.

Bekannte Steuersysteme enthalten (z. B. hydraulische) Betätigungsvorrichtungen zum Regeln des Neigungswinkels des Wagenkastens anhand eines Antriebssignals.Known control systems contain (e.g. hydraulic) actuators for controlling the inclination angle of the car body based on a drive signal.

Genauer sind Steuersysteme bekannt, die Regelungsschaltungen zum Erzeugen des Antriebssignals entsprechend vorgegebener Gesetze und auf der Grundlage einer Anzahl von im Wagen gemessenen Eingangsparametern erzeugen.More specifically, control systems are known that provide control circuits for generating the drive signal according to predetermined laws and on the basis of a number of input parameters measured in the car.

Bekannte Regelungsschaltungen enthalten elektronische Schaltungen zum Erzeugen eines ein Referenz-Wagenkastenneigungswinkel-Muster darstellenden Referenzsignals auf der Grundlage einer Anzahl von Eingangsparametern.Known control circuits include electronic circuits for generating a reference signal representing a reference car body tilt angle pattern based on a number of input parameters.

Das Referenzsignal wird mit einem Signal verglichen, das den Ist-Neigungswinkel des Wagenkastens angibt, wobei das resultierende Fehlersignal in einer geschlossenen Schleife verwendet wird, um das Antriebssignal zu berechnen.The reference signal is compared with a signal indicating the actual tilt angle of the car body, with the resulting error signal being used in a closed loop to calculate the drive signal.

Während der Übergangszustände am Beginn und am Ende der Kurve können bekannte Steuersysteme keine genaue Konvergenz der Referenz- und Ist-Neigungswinkelsignale erzielen, so daß der Ist-Neigungswinkel des Wagens oftmals vom Referenzwinkel erheblich abweicht, was eine Seitenkraft ergibt, die ausreicht, um den Komfort der Fahrgäste zu beeinträchtigen.During the transient conditions at the beginning and end of the curve, known control systems cannot achieve accurate convergence of the reference and actual pitch angle signals, so that the actual pitch angle of the car often deviates significantly from the reference angle, resulting in a lateral force sufficient to impair passenger comfort.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem zu schaffen, das so beschaffen ist, daß es die mit bekannten Systemen typischerweise verbundenen Nachteile beseitigt.It is an object of the present invention to provide a control system designed to eliminate the disadvantages typically associated with known systems.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Steuersystem für die Drehung eines Eisenbahnwagenkastens nach Anspruch 1 geschaffen.According to the present invention, there is provided a control system for the rotation of a railway car body according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:The present invention is described with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Eisenbahnwagens zeigt, der ein Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;Figure 1 shows a schematic cross-section of a railway carriage having a control system according to the present invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung zeigt, mit der das Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist;Fig. 2 shows a schematic representation of an electronic circuit implementing the control system according to the present invention;

die Fig. 3 und 4 Graphen einer Anzahl von Größen des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;Figures 3 and 4 show graphs of a number of quantities of the system according to the present invention;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltung zeigt, mit der ein bekanntes Steuersystem verwirklicht ist.Fig. 5 shows a schematic representation of an electronic circuit with which a known control system is implemented.

Das Bezugszeichen 1 in Fig. 1 bezeichnet ein Steuersystem, das auf einen Eisenbahnwagen 3 mit variabler Trimmung angewendet wird, der im wesentlichen zwei oder mehr Fahrgestelle 5, wovon jedes über eine Aufhängung 7 mit Achsen 8 elastisch verbunden ist, die an Rädern 9 befestigt sind, die längs Schienen 10 laufen, sowie einen Wagenkasten 11, der mittels einer hydraulischen Vorrichtung 12 um eine Längsachse G des Wagens 3 neigbar ist, enthält.The reference numeral 1 in Fig. 1 indicates a control system applied to a railway carriage 3 with variable trim, which essentially comprises two or more bogies 5, each of which is elastically connected via a suspension 7 to axles 8 fixed to wheels 9 running along rails 10, and a carriage body 11 which is inclinable about a longitudinal axis G of the carriage 3 by means of a hydraulic device 12.

Die Vorrichtung 12 enthält im wesentlichen einen rechten und einen linken hydraulischen Aktuator 13r, 13l, die zwischen den Wagenkasten 11 und das Fahrgestell 5 eingesetzt sind, sowie ein Servoventil 15 für die Versorgung der Aktuatoren 13r, 13l.The device 12 essentially contains a right and a left hydraulic actuator 13r, 13l, which are inserted between the car body 11 and the chassis 5, as well as a servo valve 15 for supplying the actuators 13r, 13l.

Bei einer Kurvenfahrt unterliegen die (nicht gezeigten) Fahrgäste, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, einer nicht kompensierten Querbeschleunigung Anc, die grob durch die folgende Gleichung gegeben ist:When cornering, the passengers (not shown) are subject to an uncompensated lateral acceleration Anc, as shown schematically in Fig. 1, which is roughly given by the following equation:

Anc = V² / R - gφ (1)Anc = V² / R - gφ (1)

wobei V die Fahrgeschwindigkeit des Wagens 3 ist, R der Kurvenradius ist, g die Gravitationsbeschleunigung ist und φ der Winkel zwischen der Unterstützungsfläche P der Schiene 10 und der horizontalen Ebene H ist.where V is the speed of travel of the carriage 3, R is the curve radius, g is the gravitational acceleration and φ is the angle between the support surface P of the rail 10 and the horizontal plane H.

Die nicht kompensierte Beschleunigung Anc kann durch Drehen des Wagenkastens 11 um einen Winkel θ um die Schwerpunktsachse G wie in Fig. 1 gezeigt reduziert werden, so daß für Anc gilt:The uncompensated acceleration Anc can be reduced by rotating the car body 11 by an angle θ around the centre of gravity axis G as shown in Fig. 1, so that Anc is given by:

Anc = V² / R - g(φ + θ) (2)Anc = V² / R - g(φ + θ) (2)

was offensichtlich kleiner als der Wert in (1) ist.which is obviously smaller than the value in (1).

Das System 1 enthält eine elektronische Steuereinheit 14, die mit einer Anzahl von Parametern versorgt wird, die im Wagen 3 gemessen werden, und die ein Antriebssignal für das Servoventil 15 (schematisch gezeigt) erzeugt. Das Servoventil 15 weist einen Einlaß 15a auf, der mit mit Druck beaufschlagtem Fluid 16 beliefert wird, und versorgt mit seinem Ausgang die hydraulischen Aktuatoren 13r, 13l, um den Neigungswinkel 9 des Wagenkastens 11 einzustellen.The system 1 includes an electronic control unit 14, which is supplied with a number of parameters measured in the car 3 and which generates a drive signal for the servo valve 15 (shown schematically). The servo valve 15 has an inlet 15a supplied with pressurized fluid 16 and supplies with its output the hydraulic actuators 13r, 13l to adjust the tilt angle 9 of the car body 11.

Genauer weist das Servoventil 15 einen ersten Auslaß 15r, der mit dem Aktuator 13r über einen Kreis 17r kommuniziert; einen zweiten Auslaß 15l, der mit dem Aktuator 13l über eine Leitung 17l kommuniziert, sowie einen Rückführungsauslaß 18u auf.More specifically, the servo valve 15 has a first outlet 15r, which communicates with the actuator 13r via a circuit 17r; a second outlet 15l, which communicates with the actuator 13l via a line 17l, and a return outlet 18u.

Das Servoventil 15 enthält ein hohles Außengehäuse (nicht gezeigt), in dem ein zentrales Gleitventil (nicht gezeigt) untergebracht ist, das in der geraden Richtung X durch eine Druckdifferenz, die von einem an einen elektrischen Treiber 21 gelieferten Treibersignal abhängt, axialbeweglich ist.The servo valve 15 includes a hollow outer casing (not shown) housing a central sliding valve (not shown) that is axially movable in the straight direction X by a pressure difference dependent on a drive signal supplied to an electrical driver 21.

Genauer ist das Servoventil 15 vom Typ mit offener Mitte, d. h., wenn das Gleitventil mittig angeordnet ist (X = 0) und der Treiber 21 nicht versorgt wird, kommunizieren die Auslässe 15r, 15l mit dem Rückführungsauslaß 18u.More specifically, the servo valve 15 is of the open center type, i.e., when the slide valve is located centrally (X = 0) and the driver 21 is not supplied, the outlets 15r, 15l communicate with the return outlet 18u.

Das Gleitventil ist außerdem durch den Treiber 21 zwischen einer linken Grenzposition, in der der Einlaß 15a mit dem Auslaß 15l kommuniziert und der Auslaß 15r mit dem Rückführungsauslaß 18u kommuniziert, und einer rechten Grenzposition, in der der Einlaß 15a mit dem Auslaß 15r kommuniziert und der Auslaß 15l mit dem Rückführungsauslaß 18u kommuniziert, beweglich.The sliding valve is also movable by the driver 21 between a left limit position in which the inlet 15a communicates with the outlet 15l and the outlet 15r communicates with the return outlet 18u, and a right limit position in which the inlet 15a communicates with the outlet 15r and the outlet 15l communicates with the return outlet 18u, movable.

Wenn sich das Servoventil 15 in die linke Grenzposition bewegt, wird an den Aktuator 13l mit Druck beaufschlagtes Fluid geliefert, während der Aktuator 13r entleert wird, um den Wagenkasten 11 im Uhrzeigersinn zu drehen; wenn sich das Servoventil 15 in die rechte Grenzposition bewegt, wird das mit Druck beaufschlagte Fluid an den Aktuator 13r geliefert, während der Aktuator 13l entleert wird, um den Wagenkasten 11 im Gegenuhrzeigersinn zu drehen.When the servo valve 15 moves to the left limit position, the pressurized fluid is supplied to the actuator 13l while the actuator 13r is exhausted to rotate the car body 11 clockwise; when the servo valve 15 moves to the right limit position, the pressurized fluid is supplied to the actuator 13r while the actuator 13l is exhausted to rotate the car body 11 counterclockwise.

Das Bezugszeichen 22 in Fig. 2 bezeichnet eine Regelungsschaltung der Steuereinheit 14 in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung.Reference numeral 22 in Fig. 2 designates a control circuit of the control unit 14 in accordance with the teachings of the present invention.

Die Regelungsschaltung 22 enthält einen ersten Knoten 23, der einen Additionseingang 23a und einen Subtraktionseingang 23b aufweist. Der Additionseingang 23a wird mit einem Referenzsignal θc versorgt, das von einer Schaltung 26 (z. B. einer elektronischen Karte) erzeugt wird, die mit einer Anzahl von Signalen P1, P2, ..., Pn bezüglich im Wagen 3 gemessener Parameter (z. B. Geschwindigkeit und Beschleunigung des Wagens) versorgt wird.The control circuit 22 comprises a first node 23, which has an addition input 23a and a subtraction input 23b. The addition input 23a is supplied with a reference signal θc generated by a circuit 26 (e.g. an electronic card) supplied with a number of signals P1, P2, ..., Pn relating to parameters measured in the carriage 3 (e.g. speed and acceleration of the carriage).

Das Signal θc stellt das ideale Muster (Ref) des Winkels θ in Abhängigkeit von der Zeit t dar, wie durch die Ref-Kurve in Fig. 3 gezeigt ist, die einen ersten Abschnitt A (zwischen dem Zeitpunkt t = 0 und dem Zeitpunkt t = T1), in dem der Winkel θ ständig zunimmt, und einen zweiten Abschnitt B, in dem der Winkel θ einen konstanten Wert θlim (für t > T1) annimmt, aufweist.The signal θc represents the ideal pattern (Ref) of the angle θ as a function of time t, as shown by the Ref curve in Fig. 3, which has a first section A (between time t = 0 and time t = T1) in which the angle θ is constantly increasing and a second section B in which the angle θ assumes a constant value θlim (for t > T1).

Der Subtraktionseingang 23b wird mit einem Rückkopplungssignal θz versorgt, der durch einen Sensor 28 erzeugt wird, der den momentanen Winkel θ des Wagenkastens 11 mißt.The subtraction input 23b is supplied with a feedback signal θz, which is generated by a sensor 28, which measures the instantaneous angle θ of the car body 11.

Der Knoten 23 weist einen Ausgang 23u auf, der mit dem Eingang 31a einer Schaltung 31 kommuniziert, die eine konstante Proportionalverstärkung Gp aufweist und ein Signal erzeugt, das gleich dem Produkt aus dem Eingangssignal mit der proportionalen Verstärkung Gp ist.The node 23 has an output 23u which communicates with the input 31a of a circuit 31 which has a constant proportional gain Gp and generates a signal equal to the product of the input signal and the proportional gain Gp.

Am Ausgang 23u liegt ein Fehlersignal θe = θc - θz an, das den Fehler zwischen dem vom Steuersystem angeforderten Winkel θ (θc) und dem tatsächlichen Winkel (θz) des Wagenkastens 11 des Wagens 3 darstellt.An error signal θe = θc - θz is present at the output 23u, which represents the error between the angle θ (θc) requested by the control system and the actual angle (θz) of the car body 11 of the car 3.

Die Schaltung 31 weist einen Ausgang 31u auf, der mit einem ersten Additionseingang 34a eines Knotens 34 kommuniziert, der einen Ausgang 34u aufweist, an dem ein Signal I anliegt, das, wenn es verstärkt wird, das Treibersignal des Treibers 21 bildet.The circuit 31 has an output 31u which communicates with a first addition input 34a of a node 34, which has an output 34u at which a signal I is present, which, when amplified, forms the drive signal of the driver 21.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Regelungsschaltung 22 eine Differenzierschaltung 37, die einen Eingang 37a, der mit dem Ausgang 23u des Knotens 23 kommuniziert, sowie einen Ausgang 37u aufweist, der mit einem zweiten Additionseingang 34b des Knotens 34 kommuniziert. Die Schaltung 37 erzeugt ein Signal, das gleich dem Differential des Eingangssignals, multipliziert mit einer abgeleiteten Verstärkung Gd, ist.According to the present invention, the control circuit 22 includes a differentiating circuit 37 having an input 37a communicating with the output 23u of the node 23 and an output 37u communicating with a second addition input 34b of the node 34. The circuit 37 generates a signal equal to the differential of the input signal multiplied by a derived gain Gd.

Die Differentialverstärkung Gd der Schaltung 37 hängt wie in Fig. 4 gezeigt von der zeitlichen Ableitung des Absolutbetrags (d θe /dt) des Fehlersignals θe ab und besitzt drei Abschnitte:The differential gain Gd of the circuit 37 depends, as shown in Fig. 4, on the time derivative of the absolute value (d θe /dt) of the error signal θe and has three sections:

- einen ersten Abschnitt (K) zwischen einem ersten Wert (0) und einem zweiten Wert (z. B. 0,2 Grad/Sekunde) der Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt), wobei die Differentialverstärkung Gd null ist;- a first section (K) between a first value (0) and a second value (e.g. 0.2 degrees/second) of the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt), wherein the differential gain Gd is zero;

- einen zweiten Abschnitt (L) zwischen einem zweiten Wert (z. B. 0,2 Grad/Sekunde) und einem dritten Wert (z. B. 2,2 Grad/Sekunde) der Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt), wobei die Differentialverstärkung Gd ständig mit konstanter Steigung ansteigt; und- a second section (L) between a second value (e.g. 0.2 degrees/second) and a third value (e.g. 2.2 degrees/second) of the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt), the differential gain Gd constantly increasing with a constant slope; and

- einen dritten Abschnitt (M), in dem die Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt) den dritten Wert (z. B. 2,2 Grad/Sekunde) übersteigt, wobei die Differentialverstärkung Gd einen konstanten Wert (0,5 mA/(º/s)) annimmt.- a third section (M) in which the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt) exceeds the third value (e.g. 2.2 degrees/second), the differential gain Gd assuming a constant value (0.5 mA/(º/s)).

Nun wird die Funktionsweise der Schaltung 22 mit Bezug auf die Fig. 2 und 5 beschrieben, wobei um der Klarheit willen mit einer Beschreibung der Funktionsweise bekannter Steuersysteme begonnen wird.The operation of the circuit 22 will now be described with reference to Figs. 2 and 5, beginning for the sake of clarity with a description of the operation of known control systems.

Ein erster bekannter Typ eines (proportionalen) Steuersystems enthält einen Knoten 23 (Fig. 5), der mit einem Referenzsignal θc, das das ideale Muster des Winkels θ angibt, und mit einem Rückkopplungssignal θz, das den Ist-Winkel θ des Wagenkastens angibt, versorgt wird; der Knoten 23 liefert ein Fehlersignal θe, das gleich der Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal ist, an eine Proportionalschaltung 31, die eine konstante proportionale Verstärkung Gb aufweist ferner erzeugt eine Schaltung 31 ein Treibersignal, das, wenn es umgesetzt und verstärkt wird, das Solenoidventil steuert, das die hydraulischen Aktuatoren versorgt, um den Neigungswinkel θ des Wagenkastens einzustellen.A first known type of (proportional) control system includes a node 23 (Fig. 5) supplied with a reference signal θc indicating the ideal pattern of angle θ and a feedback signal θz indicating the actual angle θ of the car body; node 23 supplies an error signal θe equal to the difference between the reference signal and the feedback signal to a proportional circuit 31 having a constant proportional gain Gb; further, circuit 31 generates a drive signal which, when converted and amplified, controls the solenoid valve supplying the hydraulic actuators to adjust the inclination angle θ of the car body.

Das Referenzsignal kann wie durch die Ref-Kurve in Fig. 3 gezeigt beschaffen sein und enthält einen ersten Abschnitt A, in dem der Winkel θ ständig ansteigt, sowie einen zweiten Abschnitt B, in dem der Winkel θ einen konstanten Wert θlim annimmt.The reference signal can be as shown by the Ref curve in Fig. 3 and contains a first section A in which the angle θ increases continuously, and a second section B in which the angle θ assumes a constant value θlim .

Während der Übergangszustände am Beginn und am Ende der Kurve können proportionale Steuersysteme kein effektiv "nachgeführtes" Referenzsignal Ref erzeugen, so daß aus physikalischen Gründen, auf die hier nicht eingegangen wird, der Ist-Winkel θ des Wagenkastens vom Referenzwinkel erheblich abweicht, wie durch die Strichpunkt-Kurve Mis in Fig. 3 gezeigt ist, die das tatsächliche Winkelmuster in Abhängigkeit von der Zeit angibt. Wie ersichtlich ist, weicht am Beginn der Zeitskala (Abschnitt W), d. h. in der anfänglichen Steuerstufe, die Mis-Kurve erheblich von der Ref-Kurve ab und nähert sich dieser an, wenn das Referenzsignal Ref einen konstanten Wert (Abschnitt V) annimmt. Im Ergebnis ist die nicht kompensierte Beschleunigung in der anfänglichen Steuerstufe weit davon entfernt, vernachlässigt werden zu können, bis zu dem Ausmaß, der den Komfort der Fahrgäste beeinträchtigt.During the transients at the beginning and end of the curve, proportional control systems cannot produce an effectively "tracked" reference signal Ref, so that for physical reasons not discussed here, the actual angle θ of the car body deviates significantly from the reference angle, as shown by the dashed-dotted curve Mis in Fig. 3, which indicates the actual angle pattern as a function of time. As can be seen, at the beginning of the time scale (section W), i.e. in the initial control stage, the Mis curve deviates significantly from the Ref curve and approaches it when the reference signal Ref assumes a constant value (section V). As a result, the uncompensated acceleration in the initial control stage is far from negligible, to the extent that it affects passenger comfort.

Um den obigen Nachteil zu beseitigen, sind Proportional/Differential-Steuersysteme verwendet worden, die parallel zur proportionalen Schaltung 31 eine Differenzierschaltung D (in Fig. 5 durch die Strichlinie gezeigt) aufweisen und ein zum Differential des Fehlersignals proportionales Signal erzeugen. Da dieses im Abschnitt W positiv und im Abschnitt V negativ ist, reduziert die Differenzierschaltung den Fehler im Abschnitt W, sie erhöht ihn jedoch im Abschnitt V, indem sie zur Mis-Kurve einen positiven Ausdruck (Fehlerdifferential größer als null) im Abschnitt W addiert und im Abschnitt V einen negativen Ausdruck (Fehlerdifferential kleiner als null) addiert. Das Winkel-θ-Signal, das bei Verwendung der Proportional-/Differentialsysteme erzielt wird, ist durch die Strichpunkt-Kurve Ref2 dargestellt, die im Abschnitt V einen deutlichen Fehleranstieg besitzt.To eliminate the above disadvantage, proportional/derivative control systems have been used which have a differentiating circuit D (shown by the dashed line in Fig. 5) in parallel with the proportional circuit 31 and produce a signal proportional to the differential of the error signal. Since this is positive in section W and negative in section V, the differentiating circuit reduces the error in section W, but increases it in section V by adding to the Mis curve a positive term (error differential greater than zero) in section W and a negative term (error differential less than zero) in section V. The angle θ signal obtained using the proportional/derivative systems is shown by the dashed-dot curve Ref2 which has a significant error increase in section V.

Die Regelungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt effektiv die Nachteile sowohl der Proportionalsysteme als auch der Proportional-/Differentialsysteme.The control circuit according to the present invention effectively eliminates the disadvantages of both proportional systems and proportional/derivative systems.

Wie in Fig. 3 und in der Schaltung von Fig. 2 gezeigt ist:As shown in Fig. 3 and in the circuit of Fig. 2:

- nimmt in dem Abschnitt W (in dem das Fehlersignal-Differential positiv ist) die Verstärkung Gd der Schaltung 37 zusammen mit dem Fehlerdifferential zu, wie in Fig. 4 gezeigt ist, so daß das von der Schaltung 31 erzeugte positive Signal zu dem von der Schaltung 31 erzeugten Signal (Mis) (am Knoten 34) addiert wird, wodurch der Gesamtfehler reduziert wird;- in the section W (where the error signal differential is positive), the gain Gd of the circuit 37 increases along with the error differential, as shown in Fig. 4, so that the positive signal generated by the circuit 31 is added to the signal (Mis) generated by the circuit 31 (at node 34), thereby reducing the total error;

- ist im Abschnitt V (in dem das Fehlersignal-Differential negativ oder geringfügig positiv ist) die Verstärkung Gd der Schaltung 37 null (oder sehr gering), wie in Fig. 4 gezeigt ist, so daß zu dem von der Schaltung 31 erzeugten Signal (Mis) (beim Knoten 34) ein kleines Signal (oder Null-Signal) mit sehr geringer Auswirkung auf das Mis-Signal addiert wird, so daß der Fehler klein bleibt.- in section V (where the error signal differential is negative or slightly positive) the gain Gd of the circuit 37 is zero (or very small) as shown in Fig. 4, so that to the signal (Mis) generated by the circuit 31 (at node 34) is added a small signal (or zero signal) with very little effect on the Mis signal, so that the error remains small.

Die Regelungseinrichtung 22 schafft daher eine effektive "Nachführung" des Referenzsignals, indem es zwischen dem Referenzsignal und dem Rückkopplungssignal einen sehr kleinen Fehler in beiden Abschnitten W und V aufrechterhält, so daß sich der tatsächlich vom Wagen eingenommene Winkel sehr nahe an den Referenzwinkel annähert.The control device 22 therefore provides an effective "tracking" of the reference signal by maintaining a very small error in both sections W and V between the reference signal and the feedback signal, so that the angle actually assumed by the carriage approaches very closely to the reference angle.

Die Regelungsschaltung 22 enthält außerdem eine Integrationsschaltung 40, die einen mit dem Knoten 23 über eine Schwellenschaltung 42 verbundenen Eingang 40a und einen mit einem Additionseingang 34c des Knotens 34 über eine Begrenzungsschaltung 44 verbundenen Ausgang 40u besitzt.The control circuit 22 also includes an integration circuit 40 having an input 40a connected to the node 23 via a threshold circuit 42 and an output 40u connected to an addition input 34c of the node 34 via a limiting circuit 44.

Die Schaltung 40 bildet das Integral des Eingangssignals und multipliziert es mit einer Integrationsverstärkung Gi; die Schaltung 42 ist eine Schwellenvergleichsschaltung, die jegliches Eingangssignal sperrt, dessen Absolutwert unter einem Schwellenwert ε liegt.The circuit 40 forms the integral of the input signal and multiplies it by an integration gain Gi; the Circuit 42 is a threshold comparison circuit which blocks any input signal whose absolute value is below a threshold value ε.

Nun wird mit Bezug auf den physikalischen Betrieb des Servoventils 15 die Funktionsweise der Schaltung 40 beschrieben.The operation of the circuit 40 will now be described with reference to the physical operation of the servo valve 15.

Das Gleitventil eines idealen Servoventils ist theoretisch auf die Mittelstellung (X = 0; hydraulisch-null) gesetzt, wenn an den Treiber 21 kein Treiberstrom geschickt wird (elektrisch-null), so daß an die Aktuatoren 13r, 13l Fluid mit demselben Druck geliefert wird.The sliding valve of an ideal servo valve is theoretically set to the center position (X = 0; hydraulic-zero) when no drive current is sent to the driver 21 (electrical-zero), so that fluid is supplied to the actuators 13r, 13l at the same pressure.

In der wirklichen Praxis entspricht jedoch aus verschiedenen physikalischen Gründen (z. B. der Temperaturänderung der Komponenten des Servoventils, der Beschleunigung des Servoventils, der Bearbeitungstoleranzen) hydraulisch-null nicht elektrisch-null. Das heißt, in einem wirklichen Servoventil (d. h. einem Servoventil des in Eisenbahnwagen angebrachten Typs) wird hydraulisch-null mit einem Treiberstrom verschieden von null (Vorspannungsstrom) erreicht und entspricht unter keinen Umständen einem Null-Treiberstrom.However, in real practice, for various physical reasons (e.g. temperature change of the servo valve components, acceleration of the servo valve, machining tolerances), hydraulic zero does not correspond to electrical zero. That is, in a real servo valve (i.e. a servo valve of the type fitted in railway carriages), hydraulic zero is achieved with a non-zero drive current (bias current) and does not correspond to zero drive current under any circumstances.

Falls daher die Regelungsschaltung 22 nicht mit der Integrationsschaltung 40 versehen wäre, würde ein Null-Treiberstrom erzeugt werden, wenn der Fehler beseitigt ist (Gleichgewichtsposition des Systems), so daß das Servoventil 15 aus den obigen Gründen nicht in die hydraulische Null- Position versetzt würde, der Druck der Aktuatoren 13r, 13l nicht derselbe wäre und ein Positionsfehler verschieden von null zurückbliebe.Therefore, if the control circuit 22 were not provided with the integration circuit 40, a zero drive current would be generated when the error is eliminated (equilibrium position of the system), so that the servo valve 15 would not be placed in the hydraulic zero position for the above reasons, the pressure of the actuators 13r, 13l would not be the same and a position error other than zero would remain.

Die Schaltung 40 beseitigt jedoch den obigen Nachteil durch kontinuierliches Bilden des Integrals des Fehlersignals θe und durch Erzeugen eines Signals, das kontinuierlich ansteigt, solange das Fehlersignal θe vorhanden ist. Wenn die Gleichgewichtsposition erreicht ist, ist der Fehler gleich null und sind die Ausgangssignale der Schaltungen 31, 37 gleich null, der Knoten 34 wird jedoch mit dem Ausgangssignal des Integrators 40 versorgt.However, the circuit 40 eliminates the above disadvantage by continuously forming the integral of the error signal θe and by generating a signal that continuously increases as long as the error signal θe is present. If the equilibrium position is reached, the error is zero and the output signals of the circuits 31, 37 are zero, but the node 34 is supplied with the output signal of the integrator 40.

Somit wird ein Treiberstrom erzeugt, der durch geeignete Bemessung der Verstärkung Gi den Vorspannungsstrom für die korrekte Positionierung des Gleitventils und die Erzielung von hydraulisch-null in der Gleichgewichtsposition des Systems bildet.Thus, a drive current is generated which, by appropriately dimensioning the gain Gi, forms the bias current for the correct positioning of the sliding valve and the achievement of hydraulic-zero in the equilibrium position of the system.

Selbstverständlich können am Steuersystem wie beschrieben und gezeigt Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Of course, changes may be made to the control system as described and shown without departing from the scope of the present invention.

Claims (6)

1. System zum Steuern der Drehung eines Eisenbahnwagenkastens, um die nicht kompensierte Beschleunigung, der die Fahrgäste unterliegen, zu reduzieren; wobei der Eisenbahnwagen einen Wagenkasten (11), in dem die Fahrgäste untergebracht sind, und eine Drehvorrichtung (12, 13r, 13l, 15, 14) zum Drehen des Wagenkastens (11) wenigstens um eine Längsachse (G) des Wagens (3) enthält;1. System for controlling the rotation of a railway car body in order to reduce the uncompensated acceleration to which the passengers are subjected; the railway car comprising a car body (11) in which the passengers are accommodated and a rotating device (12, 13r, 13l, 15, 14) for rotating the car body (11) at least about a longitudinal axis (G) of the car (3); wobei die Drehvorrichtung (12, 13r, 13l, 15, 14) den Wagenkasten (11) in Abhängigkeit von einem Treibersignal (I) um einen gegebenen Winkel (θ) dreht;wherein the rotating device (12, 13r, 13l, 15, 14) rotates the car body (11) in response to a drive signal (I) by a given angle (θ); wobei das Steuersystem (1) eine elektronische Recheneinrichtung (14, 22) zum Erzeugen des Treibersignals (I) enthält;wherein the control system (1) contains an electronic computing device (14, 22) for generating the driver signal (I); wobei die elektronische Recheneinrichtung (22) enthält:wherein the electronic computing device (22) contains: - eine Referenzeinrichtung (26) zum Erzeugen eines Referenzsignals (θc), das das erforderliche Muster des Winkels angibt;- reference means (26) for generating a reference signal (θc) indicative of the required pattern of the angle; - eine erste Knoteneinrichtung (23), die an ihrem Eingang (23a) mit dem Referenzsignal (θc) und mit einem Rückkopplungssignal (θz), das den Ist-Wert des Winkels angibt, versorgt wird;- a first node device (23) which is supplied at its input (23a) with the reference signal (θc) and with a feedback signal (θz) which indicates the actual value of the angle; wobei die erste Knoteneinrichtung (23) an ihrem Ausgang ein Fehlersignal (θe) erzeugt, das gleich der Differenz zwischen dem Referenzsignal (θc) und dem Rückkopplungssignal (θz) ist;wherein the first node device (23) generates at its output an error signal (θe) which is equal to the difference between the reference signal (θc) and the feedback signal (θz); - eine Proportionaleinrichtung (31), die mit dem Fehlersignal (θe) versorgt wird und an ihrem Ausgang (31u) ein Signal erzeugt, das gleich dem Produkt aus dem Eingangssignal (θe) und einer Proportionalverstärkung (Gp) ist;- a proportional device (31) which is supplied with the error signal (θe) and has at its output (31u) generates a signal equal to the product of the input signal (θe) and a proportional gain (Gp); - eine Differenziereinrichtung (37), die einen Eingang (37a) aufweist, der mit dem Fehlersignal (θe) versorgt wird, und an ihrem Ausgang (37u) ein Signal erzeugt, das gleich dem Differential des Eingangssignals (θe), multipliziert mit einer Differentialverstärkung (Gd), ist;- a differentiating device (37) having an input (37a) supplied with the error signal (θe) and producing at its output (37u) a signal equal to the differential of the input signal (θe) multiplied by a differential gain (Gd); - eine zweite Knoteneinrichtung (34), die mit dem Ausgangssignal (31u) der Proportionaleinrichtung (31) und mit dem Ausgangssignal (37u) der Differenziereinrichtung (37) versorgt wird;- a second node device (34) which is supplied with the output signal (31u) of the proportional device (31) and with the output signal (37u) of the differentiating device (37); wobei die zweite Knoteneinrichtung (34) an ihrem Ausgang (34u) das Treibersignal erzeugt;wherein the second node device (34) generates the driver signal at its output (34u); dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung (37) eine Differentialverstärkung (Gd) aufweist, die von der zeitlichen Ableitung des Absolutbetrags (d θe /dt) des Fehlersignals (θe) abhängt.characterized in that the differentiation device (37) has a differential gain (Gd) which depends on the time derivative of the absolute value (d θe /dt) of the error signal (θe). 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialverstärkung (Gd) zusammen mit einer Reduzierung der zeitlichen Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (θe) abnimmt.2. System according to claim 1, characterized in that the differential gain (Gd) decreases together with a reduction of the time derivative of the absolute value of the error signal (θe). 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialverstärkung (Gd) ein Muster aufweist, das wenigstens drei Abschnitte enthält:3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the differential gain (Gd) has a pattern that contains at least three sections: - einen ersten Abschnitt (K) zwischen einem ersten Wert (0) und einem zweiten Wert (0,2 Grad/Sekunde) der Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt), in dem die Differentialverstärkung (Gd) im wesentlichen null ist;- a first section (K) between a first value (0) and a second value (0.2 degrees/second) of the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt), in which the differential gain (Gd) is substantially zero; - einen zweiten Abschnitt (L) zwischen dem zweiten Wert (0,2 Grad/Sekunde) und einem dritten Wert (2,2 Grad/Sekunde) der Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt), in dem die Differentialverstärkung (Gd) mit konstanter Steigung ständig zunimmt; und- a second section (L) between the second value (0.2 degrees/second) and a third value (2.2 degrees/second) of the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt), in which the differential gain (Gd) continuously increases with a constant slope; and - einen dritten Abschnitt (M), in dem die Ableitung des Absolutbetrags des Fehlersignals (d θe /dt) den dritten Wert (2,2 Grad/Sekunde) übersteigt, in dem die Differentialverstärkung (Gd) einen konstanten Wert (0,5 mA/ (º/s)) annimmt.- a third section (M) in which the derivative of the absolute value of the error signal (d θe /dt) exceeds the third value (2.2 degrees/second) in which the differential gain (Gd) assumes a constant value (0.5 mA/ (º/s)). 4. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzeinrichtung (26) ein Referenzsignal (θc) erzeugt, das das ideale Muster des gegebenen Winkels (θ) in Abhängigkeit von der Zeit (t) angibt; wobei das Muster einen ersten Abschnitt (A), in dem der Winkel (θ) ständig ansteigt, und einen zweiten Abschnitt (B) enthält, der an den ersten Abschnitt (A) angrenzt und in dem der Winkel (θ) einen konstanten Wert (θlim) annimmt.4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the reference device (26) generates a reference signal (θc) which indicates the ideal pattern of the given angle (θ) as a function of time (t); the pattern comprising a first section (A) in which the angle (θ) increases continuously and a second section (B) which is adjacent to the first section (A) and in which the angle (θ) assumes a constant value (θlim). 5. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Integrationseinrichtung (40) enthält, die einen Eingang (40a), der mit dem Ausgang (23a) der ersten Knoteneinrichtung (23) kommuniziert, sowie einen Ausgang (40u), der mit einem Eingang (34c) der zweiten Knoteneinrichtung kommuniziert, umfaßt;5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that it includes an integration device (40) comprising an input (40a) communicating with the output (23a) of the first node device (23) and an output (40u) communicating with an input (34c) of the second node device; die Integrationseinrichtung (40) an ihrem Ausgang (40u) ein Signal erzeugt, das gleich dem Integral des Eingangssignals (θe), multipliziert mit einer Integrationsverstärkung (Gi), ist.the integration device (40) generates at its output (40u) a signal which is equal to the integral of the input signal (θe) multiplied by an integration gain (Gi). 6. System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehvorrichtung (12, 13r, 13l, 15, 14) wenigstens einen ersten und einen zweiten Aktuator (13r, 13l) zum Drehen des Wagenkastens (11) in entgegengesetzte Richtungen; sowie ein Servoventil (15) zur Versorgung der Aktuatoren (13r, 13l) enthält;6. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotating device (12, 13r, 13l, 15, 14) contains at least a first and a second actuator (13r, 13l) for rotating the car body (11) in opposite directions; and a servo valve (15) for supplying the actuators (13r, 13l); wobei das Servoventil (15) wenigstens einen Einlaß (15a), der mit mit Druck beaufschlagtem Fluid (16) versorgt wird; und einen ersten und einen zweiten Auslaß (15r, 15l), die mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Aktuator (13r, 13l) kommunizieren, enthält;wherein the servo valve (15) has at least one inlet (15a) supplied with pressurized fluid (16); and a first and a second outlet (15r, 15l), which communicate with the first and second actuators (13r, 13l), respectively; dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil vom Typ mit offener Mitte ist.characterized in that the servo valve is of the open center type.
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